Расчет фильтрации воды и температурного режима плотины мерзлого типа

Плотины мерзлого типа — это инженерные сооружения, использующие промороженные грунты в качестве водонепроницаемого барьера. Такие плотины распространены в условиях Крайнего Севера (Якутия, Магаданская область, Чукотский автономный округ и др.), климатические и геокриологические условия которого способствуют сохранению грунтов в многолетнемерзлом состоянии. Механическая безопасность плотин мерзлого типа зависит от поддержания внутри них отрицательных температур в течение всего периода эксплуатации. Повышение температуры грунтов может привести к потере противофильтрационных свойств тела плотины, вызывая риск аварийной ситуации. Проектирование плотин мерзлого типа невозможно без проведения теплотехнического расчета, учитывающего конструкцию плотины, теплофизические характеристики грунтов, динамику метеорологических и гидрологических условий.

Наиболее подходящим инструментом выполнения подобных расчетов является программный комплекс , который позволяет выполнять точный температурный прогноз, учитывающий теплоперенос за счет фильтрации в талых и оттаявших грунтах.

В программе Frost.Термо проведен прогнозный теплотехнический расчет плотины, расположенной на р. Вилюй в Республике Саха (Якутия). Для плотины применен принцип I строительства грунтовых гидротехнических сооружений в северной строительно-климатической зоне в соответствии с СП 39.13330.2012, с замораживанием основания до начала заполнения водохранилища и сохранением его в мерзлом состоянии при эксплуатации. Для реализации I принципа используются глубинные термостабилизаторы с длиной испарителя 70 м в количестве 177 шт., устанавливаемые непосредственно после возведения плотины в послойно промороженный грунт в 2 ряда в шахматном порядке на расстоянии 3,2 м друг от друга. Необходимо провести прогнозный расчет температурного режима в пределах тела плотины с учетом отепляющего влияния речных вод, для чего в расчете проводится одновременное решение как тепловой, так и фильтрационной задачи.

расчетная область имеет размеры: длина – 400 м, ширина – 200 м, высота – 76 м;
для гребня плотины выше уреза воды используются граничные условия, определяющие теплообмен с атмосферой (температура воздуха, скорость ветра, высота и теплопроводность снегового покрова), а для участков плотины ниже уреза воды граничные условия учитывают температуру воды и коэффициент теплообмена грунта с водой, с заданием гидравлических напоров 60 м со стороны водохранилища и 5 м со стороны реки;
для грунтов и материалов, из которых построена плотина, учтены физико-механические и теплофизические параметры, в том числе коэффициент фильтрации;
период проведения расчета – 20 лет.

Моделирование температурного режима плотины проводилось по двум вариантам:

Вариант 1

Скорость фильтрации рассчитывалась в Frost.Термо с учетом разницы напоров (60 м и 5 м) на противоположных участках плотины и фазового состояния грунта.

Вариант 2

Скорость фильтрации в теле плотины была задана вручную и составила 2,5 м/сут только по оси ОХ (скорость фильтрации приравнена к коэффициенту фильтрации песка мелкого незасоленного, используемого при строительстве тела плотины).

Вариант 1. Моделирование температурного режима плотины с учетом рассчитанной во Frost.Термо скорости фильтрации

Расчет температурного режима плотины по варианту 1 показал, что в результате применения СОУ в теле плотины было сформировано мерзлое ядро, сохраняющееся на период максимального оттаивания грунтов. Средняя температура ММГ в мерзлом ядре плотины составила -0,3°C после первого зимнего сезона, и фильтрации через плотину не происходит. Далее наблюдается понижение температур ММГ, слагающих мерзлое ядро плотины, вследствие работы термостабилизаторов.

Анализ распределения скоростей фильтрации в теле плотины при их расчете средствами Frost.Термо выявил значительную пространственную неоднородность. В области с напором 60 м максимальные значения скорости фильтрации (до 0,05 м/сут) наблюдаются в талых грунтах на границе уреза воды и на глубине до 15 м ниже него. Скорость фильтрации равна нулю в мёрзлом ядре, а также выше отметок уреза воды. В области пониженного напора (5 м) скорости фильтрации в талых грунтах изменяются от 0,7 м/сут на границе уреза воды до 0,01 м/сут на глубине.

При задании пользовательского значения (2,5 м/сут) скорости фильтрации по оси OX отсутствие фильтрации наблюдается только в пределах СОУ по окончании первого зимнего сезона. На момент максимального оттаивания грунтов в 1 год эксплуатации скорость фильтрации практически на всей моделируемой области достигает 2,5 м/сут и сохраняется в последующие года эксплуатации.

Сравнение результатов моделирования с различными вариантами учета скорости фильтрации показало существенное отличие в температурном режиме. Корректный результат расчета, учитывающий теплоперенос за счет фильтрации в талых и оттаявших грунтах, возможно получить только в случае расчета скоростей фильтрации средствами Frost.Термо. Указание заданного значения скорости фильтрации допустимо только в очень ограниченном ряде случаев , не относящихся к проектированию объектов строительства.